Manufactura virtual para producir una prótesis articulada transfemoral 1
Ing. Luis Roberto Morales Pérez . — Las Resumen Las prótesis transfemorales de alto rendimiento son un producto poco manufacturado en M éxico, por tal
motivo el presente se enfoca a la simulación virtual de una planta de manufactura en el cual el proceso primordial es la producción de una prótesis transfemoral. Incluyendo simultáneamente escenarios virtuales para la buena toma de decisiones de producción, mejoras en las líneas de producción, optimización de procesos, sin la necesidad de invertir económicamente en pruebas. Tanto la simulación virtual de procesos como la elaboración del producto en este caso una prótesis de alto rendimiento son temas para profundizar, así como el uso de herramientas como Delmia Quest que nos permite llevar a cabo la imagen virtual de los procesos industriales. Palabr as clave Manufactura virtual, Delmia Quest, Prótesis transfemoral. — Manufactura
Introducción Se define la simulación como: La imitación de las operaciones de un proceso real. La simulación comprende la creación de un escenario artificial (modelo) y el análisis del mismo para detectar los problemas que presenta el sistema operacional representado. Simulación es una herramienta indispensable para resolver muchos de los problemas que se presentan en la realidad. En el ámbito de producción, la simulación es empleada para representar y analizar distintas alternativas de un sistema y finalmente decidir cuál es la mejor de las distintas alternativas.
La simulación de procesos industriales, basada en la técnica de simulación de eventos discretos, es una técnica informática que permite crear modelos dinámicos de una fábrica o de un sistema logístico, que posteriormente servirán para analizar el comportamiento de ese modelo en diferentes circunstancias, analizando los posibles cambios y sus consecuencias, de tal manera que permite comprobar las hipótesis antes de implementarlas en la realidad. Simulación de eventos discretos es el conjunto de relaciones lógicas, matemáticas y probabilísticas que integran el comportamiento de un sistema bajo estudio cuando se presenta un evento determinado La aplicación de simulación de pr ocesos industriales supone una fuente de competitividad para las empresas, mediante modelos que permiten simular el comportamiento de un sistema en diferentes circunstancias, analizando los posibles cambios y sus consecuencias. Dentro de las simulaciones podemos proponer un diagrama de flujo el cual nos llevara etapa a etapa de la mano a realizar una simulación lo más real posible como se muestra en el diagrama 1. La simulación de procesos industriales se usa para desarrollar y validar el diseño de las plantas industriales de manufactura en su conjunto, permitiendo comparar varios escenarios diferentes de tal manera que se pueda predecir el comportamiento de cada uno de ellos. Con la ayuda de las herramientas de simulación se podrá optimizar el lay-out, los flujos de material, almacenes, empleo de recursos, logística, además de descubrir los problemas del diseño de la planta, las operaciones y fuentes de improductividades que no aportan valor al producto final (desplazamientos, transportes, inventarios, etc. ), todo ello antes de iniciar la producción. Diagrama 1. Etapas de simulación.
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Ing. Luis Roberto Morales Pérez, Estudiante de Posgrado en el Centro de Tecnología Avanzada CIATEQ AC. E-mail: roberto_ipma @hotmail.com
Las prótesis transfemorales son también conocidas como prótesis de arriba de rodilla, este tipo de prótesis se componen de 5 partes importantes, al ser amputación de mayor parte del miembro inferior cuenta con 2 articulaciones, rodilla y tobillo. Las partes importantes son: socket, rodilla, tibia, tobillo y pie. Este tipo de prótesis se propone que sean de alto rendimiento para que el usuario en algún momento pueda ejercer algún tipo de ejercicio físico.
Descripción del Método El presente trabajo promueve el eso de herramientas virtuales como es el caso de Delmia Quest de Dessault Systemes, para la visualización de una planta en la cual se pretende simular la fabricación de una prótesis articulada transfemoral. Con el uso de esta herramienta virtual se pretende llevar a la realidad una empresa que incursione en el ramo de la manufactura de prótesis de alto rendimiento en México, teniendo requerimientos y respuestas clave de la simulación:
Visualización total de la planta: Permite la toma de decisión para inversión económica, además de tener la vista total de lo que comprende el proceso de manufactura y medición del mismo. Optimizar lay out: Realizar el estudio de ingeniería de planta para seleccionar la mejor ubicación de cada departamento, reducir rutas de movimiento de materiales, eliminar movimientos innecesarios de maquinaría y equipos. Manejo de inventario: El mejor manejo de inventarios, con esto reducir costos de almacenaje. Obtener tiempos de producción: Obtener tiempo de entrega acertado, obtener tiempos ciclo de cada operación desde la manufactura de componentes y ensamble. Maquinaria, equipo y herramientas: Control de cada aspecto (maquinaria, equipo, herramienta) para que no sobren ni falten, con esto se prevé la capacidad instalada real de una planta antes de ser construida. Obtener la planta virtual como herramienta para nuevos proyectos y carta de presentación a nuevos clientes. Medir los cambios de proceso, medir el impacto en el cambio de los procesos sin necesidad de hacerlo en la realidad. Las buenas prácticas de producción: Tener controlado el proceso previamente antes de que fuese real, con buen control en balanceo de líneas, control de inventarios, control de producción, tiempos ciclo de cada operación de la planta.
Objetivos Los objetivos generales del presente estudio se basan en: Desarrollar el modelo que describa el proceso de manufactura (lay out, maquinaria, personal, flujo de proceso, definir tiempo ciclos). Realizar la simulación virtual del proceso de manufactura (Realizar corridas de producción, recolectar datos, analizar estadísticos, tomar decisiones de inversión) y finalmente desarrollar una visualización 3D del ambiente de la planta de manufactura. Con estos objetivos se pretende llevar la simulación a un entorno lo más real posible, la complejidad de la simulaciones puede ser tan sencilla o tan complicada como el diseñador lo establezca. Cada uno de los objetivos es su forma general engloba una serie de pasos previos estos pasos son lo que dan la certeza del modelo, la complejidad y la comparación de lo virtual con lo real.
Desarrollo Partiendo de la experimentación de la manufactura del prototipo de la prótesis, se obtienen como resultado los tiempos ciclo de cada operación de las partes que comprenden la prótesis, las cuales se muestran en la Tabla 1, con estos datos (tiempo ciclo) se crea una primera visualización del proceso, ya que son los datos que requiere el programa Delmia Quest como puntos básicos para ir realizando simulaciones que al final de una optimización de proceso de cómo resultado mejores tiempos de proceso establecidos y reales.
Tabla 1. Despliegue de partes de prótesis. De igual manera los elementos que alimenten la simulación tienen que ser de una manera confiables, de poca incertidumbre entre más exactos sean los datos de entrada los datos de salida tendrán mayor cercanía a la realidad del proceso, para ello se deben implementar las herramientas de ingeniería industrial y herramientas de Ingeniería en manufactura, por mencionar algunas herramientas son: Diagramas de operaciones del proceso, diagramas de recorrido (materiales, personas, piezas, etc.), Diagramas de actividades múltiples, Estudio de métodos, Medición del trabajo en cuanto a ingeniería en manufactura, selección del equipo optimo, diseño y adquisición de herramientas, equipos, estimación de costos de producción, distribución de planta, etc. Todas las herramientas con las que se enriquezca la parte de la simulación, será el nivel de confiablidad de los datos de salida obtenidos. En la Figura 1, se muestra la parte visual en 3D que genera Delmia Quest, el cual fue alimentados con los tiempos ciclo de producción de cada parte de la prótesis, diagramas de ruta de materiales, personas, ensambles, la optimización del lay out implementando el análisis de las relaciones entre actividades, distribuciones de trabajo, las cuales fueron diseñadas por las metodologías de métodos y movimientos. Para la visualización 3D que ofrece Delmia, puede ser que se elija entre algunas formas, maquinas, equipos, personas, objetos de trabajo, que contiene en sus librerías, sin embargo son muy limitadas, por l o que se recomienda que para dar un ambiente más real se utilice un software CAD que genere objetos en 3D, estos se pueden importar a Delmia con el formato .wrl. Este es un formato que comprime los objetos sin perder sus propiedades.
Figura 1. Planta 3D para producir prótesis.
Dentro de la planta se pueden encontrar los departamentos que conllevan a la manufacturación de la prótesis, como lo es el área de maquinados CNC con sus respectivos anaqueles de materia prima, mesa de corte, mesa de trabajo, operarios y métodos de movimientos. El área de termoformado, en la cual se manufactura el socket, cuanta con un horno eléctrico, mesa de termoformado, mesa de acabado y operario. El área de ensamble que cuanta con un operario, mesa de contenedores, y mesa circular de ensamble, así como la metodología de ensamble y herramientas para ejecutarlo. También se cuenta con el área de pruebas y medidas antropométricas la cual consta de una cámara escáner para tomar las medidas del cuerpo del paciente y en este caso específicamente del miembro a producir, el cual por medio de los sensores es trasladado a un software especializado el cual da el modelo CAD y se puede manufacturar en directo y llevarlo a termoformado, para las pruebas una vez manufacturada la prótesis se cuenta con un pasamanos para realizar pruebas de equilibrio, una escalera para pruebas de articulaciones, y una caminadora para pruebas de alto rendimiento en deporte. Se cuenta con un área de desperdicio en el cual se confinan las virutas de los diferentes materiales que se utilicen. Los departamentos descritos se muestras en la Figura 2.
Como reaultado de las corriedas en simulacion da como resultado en tiempo de produccion y ensamble total, que se muestra en la tabla 2. Este tiempo comprende tiempo de manufactura de la protesis, el ensamble de la misma, y es estimado el tiempo de pruebas y medicion antropometrica de la persona.
Tabla 2. Tiempo en obtener una protesis. Los tiempos obtenidos y mostrados en la tabla 2, son sin contemplar incidencias como por ejemplo, paros de línea por: falta de material, capacitación de personal, orden de producción, falta de herramienta, falta de planos, pruebas de montaje, cambios de herramientas, Incidencias naturales menos frecuentes y de poco impacto en el presente estudio como por ejemplo: corte de luz, inundación, terremoto. Incidencias por accidentes laborales por ejemplo, corte con herramientas, corte con virutas de material, accidente ocular por viruta de material, quemadura grave en termoformado. También se omitieron los tiempos por faltantes de herramientas, material, equipos de medición. De acuerdo al resultado de las pruebas mostradas se puede observar que al variar parámetros de cualquier tipo siempre las respuestas serán diferentes, las diferencias estarán ligadas a los cambios de entrada si son drásticos los datos con lo que se ali menta el modelo las respuesta del modelo también serás drásticas y hasta muchas veces puede llegar a ser incoherentes. La lógica basada en herramientas de ingeniera es el mejor alimento para el modelo, no se debe dejar solo a la intuición y experiencia del diseñador, ya que puede comprometer los datos resultantes. Siempre se deben recordar las finalidades de una simulación, es una herramienta para conocer el impacto de los cambios en los procesos sin necesidad de llevarlos a cabo en la realidad, si ya existe el proceso es una herramienta para conocer mejor el proceso actual y trabajar simulaciones en escenarios diferentes, es m uy útil para capacitaciones y toma de decisiones, problemas de gran complejidad pueden resolverse por simulaciones. En este estudio se requirió el tiempo total en elaborar una prótesis sin embargo puede tomarse otros puntos de vista de simulación por ejemplo cuantas prótesis se pueden manufacturar en 1 mes trabajando turnos de 8 horas, esta segunda simulación sería un escenario diferente con datos resultantes diferentes, como se trabaje con el simulador ya es en base a las necesidades de cada evento en especifico.
Conclusión y Observaciones El presente estudio concluye que para producir una prótesis transfemoral se necesitaran aproximadamente 24.6 h como resultado de 5 pruebas de producción, variando tiempos de proceso, rutas de manejo de materiales, mejorando el lay out, cambiando herramientas de mano y de corte, estos son algunos parámetros con los que se estuvo realizando iteraciones en el proceso, aun así se podría hacer mucho mas por la optimización del proceso y de la simulación aumentando metodologías de cambios rápidos de herramentales, implementando kanban, un exhaustivo análisis de métodos de trabajo, recordemos lo antes mencionado, entre mejor trabajado este la teoría del modelo mejor serán los resultados obtenidos. Dentro de las simulaciones no es posible aun llevarlos a tiempo real de una planta es una de las limitantes que aun tienen los paquetes de simulación, pero en todo caso si el método teórico por así referirse al buen trabajo de ingeniería que hay detrás de la simulación su puede llegar a tener un nivel de confianza muy elevado en cuanto a lo que pase en la realidad, actualmente los sistemas o software de simulación trabajan bajo eventos discretos, esto hace que cada evento sea una simulación, con cada cambio que se realice en esta, será un nuevo evento para el simulador. La palabra optimización referida en este estudio no es enfocada al software Delmia, ya que no es una herramienta de optimización la optimización que se puede llegar a tener es al darse cuenta de los panoramas o eventos que se pueden tener y el diseñador pueda cambiar la ingeniería que alimenta la simulación y entonces a esto a lo que se refiere optimizar en el estudio presente. Dentro de los resultados obtenidos en cuanto a costes al utilizar herramientas de simulación se pueden presentar la grafica 1. Con estos datos se pretende justificar la implementación de herramientas virtuales a las empresas.
Grafica 1. CIMDATA, “L os beneficios de la manuf actura digi tal ”. 2002 Referencias Bibliográficas
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